化工装备装备事故分析与预防[M].doc

《化工装备装备事故分析与预防[M].doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工装备装备事故分析与预防[M].doc（23页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流化工装备装备事故分析与预防M.精品文档.第三节化工装备的分类与典型结构一、化工设备分类与典型结构化工设备种类繁多，形式多种多样。按工艺用途不同，可分为塔槽（罐）类、换热设备、反应器、干燥设备、分离器、加热炉和废热锅炉等。而化肥、化工、炼油厂中使用的化工设备大多数是压力容器，对压力容器进行分类也有许多种方法。按工作压力不同，可分为低压、中压、高压和超高压四个等级，具体划分见表1 一1 。从安全技术管理方面进行分类，可分为固定式容器和移动式容器。除了用做运输贮存气体的瓶装、桶装和槽车装的贮存容器外，所有设备都是固定式容器。表1 一1 压力容器分级

2、等级低压容器中压容器压力朋Fa ( kgf / c mZ ) 0 . 098 ( 1 ）簇p 1 . 57 ( 16 ) 1 . 57 ( 16 ）镇p 9 . 8 ( 100 ) 高压容器超高压容器压力户彻Pa ( kgf / crnz ) 9 . 8 ( 100 ）镇p 98 ( 1000 ) 力）98 ( 1000 ) 1 贮槽与塔器贮槽（或贮罐）是指用于贮存各种介质，维持稳定压力，输物料作用的容器，贮槽的种类很多，按容积大小可分为小型贮罐和大型贮罐。小型贮罐按占地面积、安装费用和外观情况的不同，可分为立式和卧式；大型贮罐按其形状可分为锥顶罐、拱顶罐、浮顶罐、球形罐等。石油炼制装置多采用

3、大型贮罐，小型贮罐在化肥、化工、炼油生产中也得到广泛应用。按贮存介质种类的不同，有液氨贮槽，丙烷、丁烷、石油液化气罐，液氧、液氮、液体二氧化碳容器以及压缩空气贮气罐和缓冲罐等。贮罐的结构一般有以下三种。( 1 ）中小型贮罐由圆筒体和两个封头焊接而成，通常器内为低压，其结构比较简单，如图1 一1 所示。圆筒体一般采用无缝钢管或钢板卷焊而成。封头形状可分为四类，即碟形封头、椭圆形封头、半球形封头和锥形封头。随罐内所需压力的增加，可依次选用碟形、椭圆形、半球形封头的结构形式。当容器内含有颗粒状、粉末状的物料或是豁稠液体时，它的底部常用锥形封头，以利于汇集和卸起到缓冲、持续进行生产和运图1 一1 圆筒

4、形容器下这些物料。有时为了使气体在器内均匀分布或改变气体速度，也可采用锥形封头。( 2 ）大型贮罐主要用于贮存不带压力、腐蚀性较小的液体和煤气。其罐顶形式有三种，即锥顶、拱顶和浮顶等，如图1 一2 所示。用析架加强的浮盘液面津熏苹氯钢轨放射线形的加强析架液面高盘式浮船( a ）锥顶浮盘液面式浮船浮盘低盘式浮船双盘式浮船锚固螺栓( b ）拱顶浮盘加强圈一、( c ）浮顶图1 一2 罐顶的结构形式锥顶罐采用1 巧一1 / 16 锥度，圆锥顶承受的内外压力很低，只能承受一500 一500 Pa （一50 一50 mmHZO ）的压力。拱顶罐耐压力0 . 01 一0 . 02 MPa ( 0 . 10

5、 一0 . 20 kgf / c mZ ) ，罐顶为拱形，罐壁上设有加强圈。( 3 ）球形罐其结构如图1 一3 所示。它也属于大型贮罐，在相同容积下表面积最小。在图1 一3 球形罐相同压力下，球形罐比圆筒形罐的壁厚要薄，其壳体应力为圆筒形罐壳体应力的1 / 2 ，但制造加工复杂，造价较高。它主要用于大型液化气体贮罐，例如丙烷、丁烷、石油液化气以液态贮存时一般采用球形贮罐。从日本、法国引进的30 万吨年合成氨装置的液氨贮罐和石油液化气等易挥发性液体的贮罐都采用球形贮罐。不论是哪种形式的贮槽或贮罐，其故障主要发生在壳体本身，通常为燃烧爆炸、严重腐蚀、侵蚀以及严重泄漏等。在化工、石油化工生产中，经常

6、会遇到物质从一相转移到另一相的过程。例如用水吸收气态氯化氢制盐酸时，氯化氢由气相转移到液相（水）中去，这种过程称为物质的传递过程。气体吸收、液体的蒸馏、固体的干燥、溶剂的萃取都属于传质过程。为其工艺过程服务的相应设备，如吸收塔、蒸馏塔、反应塔（作为反应设备使用）、萃取塔等都属于塔设备。吸收塔是指用适当的液体吸收剂处理气体混合物，使其分离，以达到净化气体或提取其中有用物料的操作设备，此种设备又叫分离容器。如化肥工业的碳化塔、二氧化碳水洗塔、尾气回收塔和脱硫塔等，其结构形式有填料塔、泡罩塔及喷淋塔等。蒸馏塔是指利用挥发度不同将液体混合物分离成纯组分的操作设备，如筛板塔、浮阀塔（包括条形、文丘里阶梯

7、式和盘式浮阀）。萃取塔是利用一种溶剂对不同物来自上层的降液管分配液体的溢流堰。巾冒齿缝液面00 口口口日口口口口口口尸！l 比汀口 作日目日双 升气管日对至下层的降液管图1 一4 泡罩塔的结构简图质具有不同溶解度的性质，加人适当溶剂于混合物中，而使混合物中的组分得到完全或部分分离的操作设备，如填料塔、筛板塔、转盘塔等。关图1 一5 填料塔总体结构1 一液体分布装置；2 一分配锥；3 一填料；4 一塔体；5 一卸放口；6 一栅板；子一支承板；8 一出料装置；少裙座塔设备通常按照内件的结构特点进行分类，可分为板式塔和填料塔两大类。( 1 ）板式塔板式塔由塔体、内件及支座等部件组成。塔体多用钢板焊接

8、而成。若采用铸铁制造，则塔间采用法兰连接。由于化工工艺和制造工艺的要求，在塔体上还设有液面计、人孔、手孔、进料管、出料管、进气管、回流管、压力表和温度计等零部件。板式塔内件主要有塔盘、降液管、受液盘、除沫器等。按塔盘的结构形式不同，又有泡罩塔、条形浮阀塔、筛板塔等之分。典型的泡罩塔如图1 一4 所示。( 2 ）填料塔填料塔的结构如图1 一5 所示。它主要由塔体、液体分布装置、填料、液体再分配装置、支承结构、支座以及气液进出口等组成。填料塔结构简单，塔内组件较少，机械故障相对减小。但塔内污染、腐蚀和泄漏故障仍是必须引起注意的问题。特别是在检修前未作置换、置换不彻底、置换方法不正确或设备本身制造缺

9、陷以及检修中违章动火等，都将会引起爆炸事故。在石油化工厂中塔爆炸事故时有发生。2 换热器换热器是用来完成各种传热过程的设备。按功能分类，可分为加热器、冷却器、冷凝器和再沸器等；按热量传递的方式不同，可分为间壁式、直接接触式和蓄能式三大类；按结构形式分，可分为蛇管式、套管式、列管式、翅片管式和板式等。其中列管式换热器是化肥、化工、炼油厂中应用最广、效率较高的一种传统的传热设备，如图1 一6 所示，它还是高温、高压和大型换热器的II 干十气厅一一一一一一一一一一一一一一匀叮击习目一一: 11 一一皿夸氛分割流板带法兰管板封头斗加热管接管图1 一6 列管式换热器主要结构形式。换热器的分类见表1 一2

10、 。管束、封头失效，管子胀口泄漏、腐蚀以及因换热器材料疲劳、零部件破坏而引起的燃烧爆炸事故，会使生产遭到损失，甚至威胁人身安全，因此必须给予足够的重视。热量传递方式间壁形状结构形式表1 一2 换热器的分类霉耳适管壳温差成50 高温高压场合用范围，壳程承受较低压力列管式管壳式U 形管式填料函式薄管板式间壁式紧凑式套管式蛇管式板式螺旋板式板翅式伞板式板壳式直接接触式蓄热式管内外承受高压压差较小场合中压、大直径（2000 以下）逆流操作，传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器用于管内流体的冷却或冷凝用于豁性较大的液体间换热逆流操作，回收低温热能主要用于制氧通道较小，易堵，要求流体干净压力不能太高允许换热

11、流体之间直接接触高温炉气中回收热量3 ，反应设备反应设备是进行化学反应过程的设备。它是提供工作介质进行化学反应的密闭空间，而工作介质的化学反应又往往在有压力情况下进行（因为提高压力将有利于合成与聚合反应）, 因此，反应设备又是维持一定压力、完成化学反应的压力容器。在反应的同时还伴随有温度的变化，所以反应设备内还装设一些加热或冷却装置，为了加速反应或使反应均匀，还装设触媒筐或搅拌器等。反应设备在化工、石油化工中应用极为广泛，例如，用于有机染料和制药工业的各种反应锅、制碱工业的苛化桶、化肥工业的甲烷合成塔和氨合成塔以及乙烯工程高压聚乙烯聚合釜等。反应设备与工艺过程密切相关，其结构形式繁多，大型化肥

12、、化工、炼油厂使用较多的有三种，即反应锅、固定床催化反应设备和流化（或沸腾）床催化反应设备，其性能特点、适用范围如表1 一3 所示。表1 一3 各类反应设备性能比较类型反应锅（一级或多级串联）特点适应性强，操作弹性大，连续操作时温度和浓度容易控制，产品质量均一；但转化率高时，反应锅尺寸较大返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；操作时温度不易控制，流体速度较低，流体与固体接触面小，合成效率较低，一般为10 一12 % ，催化剂装卸困难流体与固体接触面积大，传热好，传质传热系数大，催化剂有效系数大，温度均匀，易控制，固体颗粒容易加入和取出，流动容易；颗粒和器壁易磨损，固定床的高度与直径比

13、较小，返混大，影响转化率，操作条件限制大适用范围应用举例液相、液一液相、液一固相、气液一固相染料、制药、农药、涂料、制烧碱等反应锅、反应桶固定床催化反应设备气固（非催化剂与催化剂）相化肥工业的甲烷、氨合成塔，基本有机合成的甲醛、醋酸合成塔流化床催化反应设备气一固或气一液（非催化剂与催化剂）相，特别是催化剂失活很快的反应硫铁矿的焙烧，活性炭的制造，化肥工业的氨合成塔反应釜（或反应锅）的结构如图1 一7 所示。它主要由搅拌器、罐体、夹套、压出管、人孔、轴封、传动装置和支座等部件构成。反应釜的主要部分是容器，一般由釜体（或罐体）和上、下封头构成。釜体的形状通常为圆筒形，上、下封头通常为椭圆形、圆锥形

14、和平板形，其中椭圆形封头最为常见。反应釜内所有的人孔接管、搅拌的传动装置都直接安装在反应锅的顶盖上，顶盖与釜体采用法兰连接。提供化学反应所需热量或带走化学反应生成热的夹套传热装置焊在釜体上（此为不可拆的，也有可拆的结构形式）。中低压反应釜通常采用上述结构形式。超高压的反应设备，如生产高压聚乙烯的反应器，也是带有搅拌装置的反应器，它主要由“B 形环密封装置、搅拌器、夹套、泄爆装置、筒体和电动机罩等部件构成。其壳体壁厚，顶盖、夹套形式等与一般反应釜大不相同，结构十分复杂。合成塔是典型的固定床催化反应设备。它是合成氨厂合成系统的关键设备，其作用是在高温高压和在催化剂存在的条件下，将氮氢混合气在塔内直

15、接合成为氨。合成塔的结构如图1 一8 所示。它主要由外筒、内件（包括触媒筐、热交换器、分气盒）、上下盖、法兰和电加热器等部件构成。鞍男图1 一7 反应釜结构图1 一搅拌器；2 一罐体；3 一夹套；4 一搅拌轴；5 一压出管；6 一支座；7 一人孔；8 一轴封；9 一传动装置图1 一8 合成塔1 一电极杆；2 一电炉丝小盖；3 一上盖；4 一内件上盖；5 一外筒；6 一触媒筐冷却管；7 一不锈钢丝网；8 一波纹板换热器；9 一冷气管；10 一电炉丝；11 一触媒筐；12 一中心管；13 一温度计套管乙酸、硫按、染料、梭甲基纤维素、片、味精和阿司匹林等产品。外筒是一个多层钢板卷焊的圆筒形高压容器，

16、塔体上、下部为锻钢件。筒体上部有上盖及支持圈、密封装置、电热器安装孔和温度计套管等。筒体下部有下盖，下盖上设有气体出口和直接调节触媒层人口温度的副线冷气人口。内件的上部为触媒筐，下部为热交换器，中间为分气盒。触媒筐上有触媒筐盖，下有多孔板，并有不锈钢丝网，以防放在其上的触媒漏出。在触媒筐内装有冷却管，以使催化床中的反应温度控制在最适宜的温度下。触媒筐下部的热交换器采用波纹管板式（早期合成塔大多是列管式热交换器），其作用是利用反应热将进人到塔内冷的混合气体预热至催化床反应的最佳温度。电加热器（或称电热炉）包括由镍铬合金钢制成的电炉丝和瓷绝缘子。它垂直安装于触媒筐中的中心管中，其作用是当开工升温、

17、触媒还原和操作不正常时，启用电加热器补充能量，以调节进人触媒层混合气体的温度。反应釜、合成塔和流化床中的反应介质绝大多数是易燃易爆的气体或粉末状固体物料，因检修中未进行彻底置换、违章动火、物料性能不清、开车程序不严格、操作中超压和泄漏而造成的爆炸事故极多，因泄漏严重、违章进人釜内作业造成的中毒事故也颇多。触媒中毒、冷管失效也是常见事故之一。4 干燥设备干燥是将热量加于湿物料中并排除挥发性湿分（大多数情况下是水），从而获得一定湿含量的固体产品。干燥过程所需的设备为干燥设备。从农业、食品、生物、医药、冶金、化工到染料、纸浆造纸、木材加工等，甚至人们日常生活中的方方面面，几乎所有的产品都离不开干燥设

18、备。被干燥的物料有氯化钱、聚醋酸乙烯、NPK 复合肥料、苯硼砂、草酸、玉米胚芽、谷物、砂糖、柠檬酸、中药饮随着化工、医药、轻工、食品等行业的发展，特别是近10 年来，大量民营企业突飞猛进的发展，对干燥设备的需求量不断增长，近年来对众多干燥设备的兴趣和提高干燥设备高科技技术含量的发展趋势，加快了干燥技术与设备的进展。干燥设备的类型很多，其分类方法也有多种。按传热方法不同可分为传导加热干燥器、对流加热干燥器、辐射加热干燥器、微波和介电加热干燥器，冷冻干燥器可认为是传导加热14 干燥器的特例。对流干燥器包括带式干燥器、闪急干燥器、流化床干燥器、转筒干燥器、喷雾干燥器、托盘（间歇、连续）干燥器。传导干

19、燥器包括转鼓干燥器、蒸汽夹套转鼓干燥器、蒸汽管式干燥器、托盘（间歇、连续）干燥器。按原料的物理形状如糊状物、膏体、滤饼、料末、颗粒、结晶、片状物（或纤维）等成型物的不同有与其相适应的干燥器类型。也可以按产品在干燥器内停留的时间不同进行分类。停留很短时间（ lh ）的有隧道干燥器、小推车或带式干燥器；大多数干燥器中的停留时间居于上述两者之间。按操作方式的不同，还可分为间歇式干燥器和连续式干燥器两种。干燥技术是一种古老而通用的单元操作技术，然而它又是最复杂、人类对其了解最浅的技术。因此，大多数干燥设备设计仍然依赖于小规模试验和实际操作经验，换句话说，干燥器设计尚属非标设计。长期以来，一些现代的干燥

20、设备（如喷雾干燥器、气流干燥器及流化床干燥器）在工业生产中得到应用。自20 世纪70 年代以来，随着科学技术迅猛发展以及学科和技术领域之间的交叉、渗透，干燥设备、干燥过程和干燥理论研究有较大进展，尤其是近10 多年来，有许多新型干燥器投入市场，但它们主要是在原有结构基础上作了某些改进。干燥技术涉及不同产品的品质、性状、干燥前后不同的物态，干燥设备所需能耗在工业发达国家超过能耗总量的10 % ，因此，降低干燥设备能耗，有效利用能源，是涉及面较广的长远课题。随着干燥器需求量的剧增，设计灵活多用的干燥器，力求加工制造标准化、相电一体化，提高调控水平（如使用模糊逻辑神经网、专家系统等），科研生产一体化

21、，干燥技术装备企业集团化、专业化和组合使用不同类型干燥器是干燥设备研究发展的方向。干燥设备易发生的故障有豁性物料、易结块物料粘壁或堵塞，高温击穿损坏元件和漏波等。5 废热锅炉废热锅炉（或称余热锅炉）既是回收热量生产低中压蒸汽的动力锅炉，又是有化工介质的工艺设备。由于它主要完成热量传递，因此，其基本结构是一个具有一定传热面积的传热设备。废热锅炉的结构形式多种多样，其分类方法见表1 一4 。化肥、化工、炼油厂用的最多的是固定平管板式火管废热锅炉和挠性管板式、碟式管板式、烟道式废热锅炉等。表1 一4 废热锅炉的分类分类方法炉管内流动介质类型水管式火管式卧式立式低压适用范围蒸汽压力高、蒸发量大的大型工

22、厂中小型低压锅炉中小型废热锅炉回收热负荷大、蒸汽压力较高的大型化工装置p 1 . 3 MPa ( 13 kgf / c 澎）p = 14 一3 . 9 MPa ( 14 一39 kgf / cmZ ) p = 4 一10 MPa ( 40 一look 只f 众mZ ) 分类方法类型d 管式卧式固定管板适用范围中小型氨厂转化气、乙立式固定管板烯、制氢、硫酸等炉管的位置U 形管式刺刀管式高温高压结构形式螺旋盘管式压力较高、管壳之间热膨胀差较大、重油裂化气的废热回收急冷高温裂解气操作压力中压汽水循环系统工作特性高压自然循环式强制循环式工艺用途化工厂中的废热锅炉双套管式重油汽化乙烯生产裂解急冷甲烷氢转

23、化气合成氨（前、中、后）置式这里只介绍卧式固定平管板式火管废热锅炉。它类似于管壳式换热器，管板直接焊在壳体上，其结构如图1 一9 所示。人孔转化气出口即创七 : _ 么燮人孔转化气进口匕一_ 图1 一9 臣卜式固定平管板式火管废热锅炉1 一人孔盖板；2 一管板；3 一中心旁通管；4 一管箱；5 一筒体；6 一管束管束由炉管和中心旁通管组成。中心旁通管的作用是调节高温气出口温度，中心旁通管出口端有调节阀，开启调节阀可以使部分高温气体走短路，废热锅炉的排气温度也可随之提高。为了维持工艺转化气的温度，在工艺转化气的进出口处还装设保温衬、保温层等保温装置。饱和水从筒体下部进人，并在壳程内流动，与炉管内

24、的高温工艺转化气换热后生成的汽水混合物由筒体的上部进人汽包。由于循环系统的阻力较小，汽包通常可以直接放置在废热锅炉筒体的上方。这种锅炉除用作中、小型氨厂转化气的废热锅炉外，也可用于乙烯、制氢、硫酸、焦化等厂的废热回收。废热锅炉的炉管爆破（即加热部件管子的破裂）、炉体损坏、管束失效事故是大量发生的，包括从国外引进的废热锅炉，也曾多次发生类似事故，直接影响生产和安全，必须引起足够的重视。6 加热炉加热炉（或称工业炉）是指用燃料燃烧的方式将工艺介质加热到相当高温度的设备。从广义上说，它也是一种传热设备。加热炉的传热方式主要是热辐射，而工作介质在受热过程中往往伴随有化学反应，因此，它是比较复杂的特殊的

25、传热设备。在化肥、化工、炼油生产中，加热炉的应用也是相当广泛的，其种类也多种多样。按加热炉的形状及热物料的状态不同，可将其分类，见表l 一5 。加热炉的结构形式很多，不论是哪种形式，加热炉的结构一般由四部分组成，即燃烧装置、燃烧室（或炉膛）、余热回收室和通风装置。加热炉所用的燃料可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。合成氨厂的转化炉是以天然气为燃料的，汽化炉是以重油为燃料的，煤气发生炉是以煤为燃料的。炼油厂的加热炉如各种烯烃的裂解炉等，都是生产中常见的加热炉。广泛应用于炼油工业的加热炉多为管式加热炉。I6 表卜5 加热炉的分类炉型结构形式炉型结构形式釜式炉焦油蒸馏釜式炉精蔡蒸馏釜式炉发生炉型移动

26、层炉型加热流体型管式炉炼油管式加热炉烃类裂解管式炉烃类蒸汽转化管式炉可燃气体的各种管式炉熔矿炉型气流反应炉型熔融固体型！反射炉型！硅酸钠制造炉应用煤气发生炉、水煤气发生炉鲁奇加压煤气发生炉油页岩干馏炉钙、镁、磷肥高炉重油加压汽化炉硫磺焚烧炉重油制炭黑炉天然气制炭黑炉天然气部分燃烧制乙炔炉由于种种原因导致加热炉炉管泄漏、严重损坏、爆炸、炉嘴环隙堵塞和整个炉体爆炸是常见的事故。二、化工机器分类与典型结构化工机器的种类繁多，化肥、化工、炼油厂使用较广的有气体压缩机（包括风机）、汽轮机、离心机和泵（简称三机一泵）。由于气体压缩机、汽轮机和泵都是以流体作为工作介质进行能量转换的机械，所以统称为流体机械。

27、按照所处理的流体种类（气体和流体）不同，又有气体机械和液体机械（或水力机械）之分。气体机械包括气体压缩机和风机；水力机械包括汽轮机和泵。1 压缩机压缩机是一种用于压缩气体、提高气体压力和输送气体的机械。按照压缩气体的原理、能量转换方式的不同，压缩机可分为容积式和速度式（或称透平式）两种基本类型。容积式压缩机是依靠气缸工作容积的周期性变化来压缩气体，以提高气体压力的机械。按照活塞在气缸中运动方式的不同，可分为往复活塞式（简称往复式或活塞式）压缩机和回转式压缩机。透平式压缩机的工作原理与容积式截然不同，它是一种叶片旋转式机械。它依靠高速回转的叶轮，使气体在离心力作用下以很高的速度甩出，从而获得速度

28、能和压力能，然后通过扩压元件将速度能转化为压力能。透平式压缩机按照流体方向的不同，又有离心式、轴流式和混流式三种结构形式。按排气压力大小，压缩机又可分为通风机、鼓风机和压缩机。压缩机的分类见表1 一6 。表卜6 压缩机的分类类别通风机9 . 8 一14 . 7 kPa ( 0 . 1 一0 . 15 kgf 左mZ ) 机鼓风机 0 . 294 MPa ( 3 kgf 左澎）罗茨鼓风机活塞式压缩机滑片式压缩机螺杆式压缩机液环式压缩机速度（透平）式多叶片通风机透平式通风机轴流式通风机离心式鼓风机轴流式鼓风机离心式压缩机轴流式压缩机第二章化工装备事故的机理第一节化工设备事故的机理化工设备是承受高温

29、、高压、低温、高真空度和处理易燃易爆、有腐蚀、有毒介质，完成复杂工艺过程的工具。化工设备一旦发生事故，其后果相当严重，轻者会使设备损坏、失效，影响装置的正常运行，重者还会引起着火爆炸、窒息中毒和灼伤等人身伤亡的严重恶果。化工设备事故主要包括燃烧爆炸、严重泄漏、腐蚀和管束失效等，其中最危险、破坏性最大的是爆炸事故、严重腐蚀和泄漏中毒。下面重点介绍爆炸事故腐蚀和泄漏中毒的机理。爆炸是物质从一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间释放出巨大能量，具有很大的破坏力，并同时产生巨大声响的现象。爆炸可分为物理性爆炸和化学性爆炸两大类。一、物理爆炸物理爆炸（或物理性爆炸）是指由于物质的物理变化即物质的状态或

30、压力发生突变而引起的爆炸现象。其爆炸前后的物质种类与化学成分均不发生变化。化工容器及设备因物理爆炸而破裂通常也有两种情况，一种是在正常操作压力下发生的，一种是在超压情况下发生的。而正常工作压力下发生的设备破裂，有的是在高应力下破坏的，即由于设计、制造、腐蚀等原因，使化工设备在正常操作压力下器壁的平均应力超过材料的屈服点或强度极限而破坏；有的是在低应力下破坏的，即由于低温、材料缺陷、交变载荷和局部应力等原因，使化工设备在正常操作压力下器壁的平均应力低于或远低于材料的屈服点而破坏。正常操作压力下发生的破坏常见于脆性破裂、疲劳破裂和应力腐蚀破裂。化工设备在超压情况下发生物理爆炸而破裂，一般是由于没有

31、按规定装设安全泄放装置或装置失灵、液化气体充装过量且严重受热膨胀、操作失误或违章超负荷运行等原因而引起超压导致爆炸破裂。这种破坏形式一般属于韧性破裂。尽管发生物理爆炸时，有时升压速度也比较快，但它毕竟有一段增压过程。例如锅炉与废热锅炉、水夹套汽包、化工容器与设备试压（不包括违章用氧、可燃性气体补压）、石油液化气瓶在正常操作压力和超压下引起的爆炸均属于物理爆炸。在化工设备发生物理爆炸破裂后，如何判断破坏是在正常操作压力还是在超压情况下发生的，一般可从以下两个方面进行分析。一是从破裂的一般特征进行分析。如果化工设备在破坏前没有超压迹象和超压的可能性或可能性甚小，从破坏的主要特征看基本上是属于脆性破

32、裂、疲劳破裂和应力腐蚀破裂，一般情况下可认为是在正常操作压力下发生的。如果有超压的迹象和可能性，而且属于韧性破裂，很可能是在超压情况下发生的。二是通过破裂压力验算和爆炸能量计算来进行分析。如果从破裂特征看，基本上属于韧性破裂，但经破裂压力的验算，其结果与正常操作压力相差不大，同时计算化工设备在正常操作压力下的爆炸能量又远远大于根据现场破坏情况计算的破坏能量，一般情况下也可判断4O 为正常操作压力下的破坏；如果按壁厚验算的破裂压力远远大于化工设备正常操作压力，而同时按正常操作压力计算的爆炸能量小于现场破坏的能量，此种情况可判断为超压情况下发生的破坏。二、化学爆炸化学爆炸（或化学性爆炸）又称化学反

33、应爆炸，它是指在化工设备内，物质发生极迅速、剧烈的化学反应而产生高温高压引起的瞬间爆炸现象。发生化学爆炸前后，物质种类和化学成分均发生根本的变化。按化学爆炸时所发生化学变化的不同，一般可分为简单分解爆炸、复杂分解爆炸和爆炸性混合物爆炸三类。这三类爆炸除简单分解的可爆物不一定发生燃烧反应，爆炸时所需热量是由可爆物本身分解产生的以外，其他类可爆物爆炸时均伴有激烈的燃烧现象。在化工、石油化工生产中发生的化学爆炸事故，绝大部分是爆炸性混合物爆炸。所谓爆炸性混合物爆炸，是指可燃性气体、蒸气与空气混合达到一定的浓度后，遇明火而发生的异常激烈的燃烧，甚至发生迅速的爆炸。这种混合物称爆炸性混合物。爆炸性混合物

34、爆炸必备的条件有以下三个。( 1 ）具有可燃的易爆物质，如氮氢混合气、水煤气、半水煤气混合气体以及氢气、一氧化碳、乙炔、丙烷、氨、乙醚等与空气（或氧）的混合物。( 2 ）上述的可燃易爆气体与空气（或氧）混合达到一定浓度范围，如半水煤气与空气混合浓度为8 . 1 一70 . 5 时，便有可能爆炸。( 3 ）有发火源。该混合物遇到明火或微小发火能量的激发，如火焰、焊接时产生的火花、电弧、机械撞击火花、静电起火和电器火花等。但需要注意的是，这种爆炸性混合物，在高压、高温情况下，在没有明火或静电作用时，同样有可能发生化学爆炸，如设备升压、卸压时，由于气流速度太高，产生高温引爆或高温下积炭自燃。通过对爆

35、炸性混合物爆炸必备条件的分析，可知化工、石油化工生产中发生爆炸性混合物爆炸的可能性很大。一是处理易燃易爆气体或蒸气的化工设备到处可见；二是空气是常见的助燃物质，而且大量存在，无孔不人；三是由于设备运行、安装、检修的需要，离不开着火源。因此，在化学、石油化学工业生产中，由于密封装置失效、设备管道腐蚀或断裂以及安装检修不良、操作失误等原因，可燃性气体从化工工艺装置、设备、管道内泄漏或喷射到厂房或周围的大气中，或由于负压操作、系统串气、水封不严或失效，空气窜人到化工装置、设备内，可燃性气体与空气（或氧）混合形成爆炸性混合气体，若遇到明火或高温就有发生化学爆炸的危险。爆炸性混合物与火源接触，便有自由基

36、生成，成为链锁反应的作用中心。点火后，热和链锁载体向大气传播，在传播过程中，促使邻近层的混合物迅速发生化学反应，从此，这层混合物又成为热和链锁体的传播源，继续传播，将引起一层又一层的混合物燃烧。其火焰速度也随一系列链锁反应逐渐加速，从每秒几米增至数百米，甚至高达数千米，达到爆炸时的速度，而且火焰温度也随之剧升，以致产生巨大能量，造成惨重的恶果。可燃性气体或蒸气在空气中足以使火焰蔓延的浓度有一个从最低到最高的范围其中最低浓度称为该气体或蒸气的爆炸下限，而最高浓度称为该气体或蒸气的爆炸上限：上限与下限之间的浓度范围称为爆炸极限。显然，如混合物的浓度在此范围以外时，一般是不会发生爆炸的。但若其浓度高

37、于上限时，就要格外小心，一旦补充一点空气，就有发生爆炸的危险，因此，安全浓度范围只能是相对的，几种常见可燃性气体的爆炸极限见表2 一1 41 表2 一1 几种常见可燃性气体的爆炸极限爆炸极限% （体积）爆炸极限% （体积）爆炸性物质名称爆炸性物质名称下限卜限下限气0 0 rJC 钊尸乃. 2 气 ，上气厂曰，. 乙炔甲烷汽油煤气甲醇苯上限80 . 0 150 60 320 365 95 nllZ 气勺7 一乃j4 气勺二9 7 7J4 乙U o 万3 巧91 东12 今巧民a 氢气一氧化碳硫化氢氨水煤气半水煤气发生化学爆炸时的主要特征如下。( 1 ）发生化学爆炸，一般都是在瞬间进行的，同时伴有

38、激烈的燃烧反应；容器破裂时还会出现火光和闪光现象。( 2 ）爆破后的容器一般多为破裂，裂成许多的碎片，其断口有脆性破裂的特征。( 3 ）事故后检查安全阀和压力表，安全阀有泄压的迹象，压力表的指针撞弯或回不到零位。( 4 ）容器爆炸时，一般有二次空间化学爆炸的迹象，如在容器内和室内有燃烧痕迹或残留物，有时还会听到二次响声。据1949 一1982 年全国化工事故的不完全统计，共发生化工设备与管道爆炸事故295 起，其中物理爆炸138 起，占46 . 7 % ；化学爆炸157 起，占53 . 3 。在对已发生的化工设备爆炸事故的分析中，对设备的破裂形式进行鉴别，分析其破坏的主要特征、机理、发生的主要

39、原因，是探索化工设备安全运行常见的分析方法。按金属材料破裂的现象不同，压力容器破裂可分为韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂等五种形式，其破裂的机理、主要特征及发生原因如下。1 韧性破裂韧性破裂是指容器在压力作用下，器壁上产生的应力达到材料的强度极限而发生断裂的一种破坏形式。其破裂的机理如下。压力容器通常采用碳钢及低合金钢材料制造，材料中一般含有脆性夹杂物，容器内的压力使器壁受到拉伸。在拉应力的作用下，器壁产生较大的塑性变形，塑性变形严重的地方即材料中的夹杂物处首先破裂；或使夹杂物与基体界面脱开而形成显微空洞（又称微孔），随着容器内压力的升高，空洞逐渐长大和聚集，其结果便形成裂纹，

40、乃至最后导致韧性断裂。因此说，压力容器的韧性破裂实际上是材料中显微空洞形成和长大的过程，而且一般是在器壁上发生较大塑性变形之后发生的。从应力的角度进行分析，在拉应力的作用下，器壁上的平均应力达到材料的屈服点时，容器将产生明显的塑性变形。如果压力继续升高，致使器壁上的平均应力超过材料的强度极限时，容器即发生韧性破裂。韧性破裂的主要特征如下。( 1 ）破裂的容器具有明显的形状改变和较大的塑性变形，即容器的直径增大和器壁减薄，其最大圆周伸长率常达10 以上，容器体积增大率也往往超过10 % ，有的甚至达20 。( 2 ）断口宏观分析呈暗灰色纤维状，没有闪烁的金属光泽，断口不齐平，而且与主应力方向成4

41、5 。角，即与轴向平行，与半径方向成一夹角。42 ( 3 ）破裂容器一般不产生碎片，只是裂开一个口或偶然发现有少许碎片。( 4 ）容器发生韧性破裂时，其实际爆破压力与计算的爆破压力相接近。导致韧性破裂的主要原因如下。( l ）超压安全阀失灵，操作失误（如错开阀门），检修前后忘记抽堵盲板，不凝性气体未排出，违章超负荷运行，容器内可燃性气体混人空气或高温引起物料分解发生的化学燃烧爆炸，液化气体充装过量或贮存温度过高，温度升高时压力剧升等，均会引起容器超压而破裂。( 2 ）器壁厚度不够或使用中减薄设计制造不合理或误用设备，造成器壁厚度不够；介质的腐蚀冲刷或长期闲置不用又没有采取有效的防腐措施和妥善保

42、养，导致器壁大面积腐蚀，壁厚严重减薄。2 脆性破裂脆性破裂是指容器在破裂时没有宏观的塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服点的一种破坏形式，其破裂现象和脆性材料的破坏很相似。又因它是在较低的应力状态下发生的，故又称低应力破坏或低应力脆断。其破裂的机理如下。发生低应力脆性断裂的必需条件有三个：一是容器本身存在缺陷或几何形状发生突变，二是存在一定的水平应力，三是材料韧性很差。大部分化肥、化工、炼油用的低温压力容器所受的载荷是属于静载荷范围，而制造这些容器所选用的钢材为具有体心立方晶格的铁素体型钢。其断裂的机理有剪切断裂和解理断裂两种。随温度的降低，在水平应力的作用下，由剪

43、切断裂逐步转变到解理断裂，材料韧性也随之降低。脆性破裂包括开裂和裂纹扩展两个阶段。所谓开裂是指从已经存在的缺陷处开始发生不稳定的裂纹，一般存在缺陷处的韧性较差。在开裂时，缺陷尖端处的一小块材料所受的应变速度与容器的工作载荷速度相同，由于化学、石油化学工业所用的低温压力容器所受的是静载荷，则缺陷尖端处的一小块材料所受的应变速度也是静载速度。所谓裂纹扩展，是指容器开裂后形成的裂纹的不断扩大。由于脆性断裂的扩展速度非常快（接近于音速340m / s ) , 因此，在裂纹扩展过程中，裂纹尖端处材料所受的应变速度相当于动载的极高速度。当裂纹尖端处材料的应变超过材料的负荷极限时，裂纹便开始迅速扩展，以致造

44、成材料或容器在低应力状态下发生脆断。脆性破裂不仅与材料的韧性有关，而且和存在的缺陷大小及外加的水平应力有关。化肥、化工、炼油厂用的低温压力容器可能发生的破坏主要是低应力脆性断裂。其破裂的主要特征如下。( 1 ）容器破裂时一般无明显的塑性变形，破裂之前没有或者只有局部极小的塑性变形。( 2 ）断口宏观分析呈金属晶粒状并富有光泽，断口平直且与主应力方向垂直。( 3 ）破裂通常为瞬间发生，常有许多碎片飞出。破坏一旦发生，裂纹便以极高的速度扩展。( 4 ）破坏时的名义工作应力较低，通常低于或接近于材料的屈服点。( 5 ）破坏一般在较低温度下发生，且在此温度下材料的韧性很差。( 6 ）破裂总是在缺陷处或

45、几何形状突变处首先发生。导致脆性破裂的主要原因如下。43 ( 1 ）低温很多材料在低温下工作时，韧性降低，抗冲击能力下降，此时，材料由塑性变为脆性，易产生脆性破裂。( 2 ）材料存在缺陷通常指裂纹夹渣、裂纹，有的是选材的问题，有的是在热处理过程中由于消除应力热处理温度太低，未能很好地改善材料韧性并消除残余应力，而升温速度控制不住，致使产生消除应力退火裂纹，裂纹处会引起高度应力集中，在容器水压试验和在正常压力下运行时发生突然破坏。( 3 ）焊接区和焊缝处有缺陷在设备制造中，一般焊接区存在的缺陷较多，因焊接金属、熔合线和热影响区的韧性常较母材要低，又有残余应力存在，所以裂纹往往沿着焊接区而扩展。焊

46、缝处的缺陷通常是指夹渣、焊不透、过热、错边和热应力区焊缝裂纹等，或焊后未作消除应力退火处理就水压试验，或焊接过程中曾中断预热，残余氢在高残余拉应力区聚集而产生裂纹扩展等，这些都是导致材料塑性降低而破裂的原因。( 4 ）材料中的磷、硫含量过高及应力腐蚀都将会恶化材料的力学性能，从而引起脆性破裂。3 疲劳破裂疲劳破裂是指容器在反复加压、卸压过程中，壳体材料长期受到交变载荷作用，由于疲劳而在低应力状态下突然发生的破坏形式。其破裂的机理如下。金属材料的疲劳破裂过程基本上分疲劳裂纹核心的产生和疲劳裂纹的扩展两个阶段。疲劳裂纹的核心是由于金属材料在交变载荷作用下，在其表面、晶界及非金属夹杂物等处产生不均匀

47、的晶粒滑移而引起的，即在交变应力作用下，在金属表面产生晶粒滑移带，由于滑移带的交叉，滑移带穿过或终止在晶界处，便会形成局部高应力区（如接管区等），最后在滑移带两个平行滑移面之间所形成的空洞棱角处和晶界处产生疲劳裂纹核心。疲劳裂纹扩展是由于交变应力的继续作用，晶粒的位向不同与晶界的阻碍作用，微裂纹由沿最大切应力方向逐渐转向与主应力垂直方向逐步扩展，直至最后发生疲劳断裂。压力容器承受交变循环载荷而引起的疲劳破坏与静载荷条件下的破坏的本质区别是，它不是由于产生过大的塑性变形或过大的应力而引起明显的塑性变形导致破坏，而是由于交变循环载荷的作用，逐渐形成微裂纹，并逐步扩展，最后发生疲劳断裂，且没有明显的塑性变形。其破裂的主要特征如下。( l ）容器破坏时无明显的塑性变形。( 2 ）由断口宏观分析可见到疲劳裂纹产生、扩展和最后断裂等各具特色的区域，前两者比较光滑，后者比较粗糙。( 3 ）从产生开裂的部位来看，一般都是在局部应力很高的地区，尤其是在容器的接管处极